蛇為什麼以一條直線爬行？

2018-01-14

【博科園-科學科普】蛇以其標誌性的s形運動而聞名。但他們有一種不那麼引人注目的技能，讓他們成為獨一無二的超級大國。蛇可以在一條直線上爬行。辛辛那提大學的生物學家布魯斯·傑恩(Bruce Jayne)研究了蛇運動的機理，以了解它們是如何像火車通過隧道一樣推動自己前進的。這是在密閉空間中移動的好方法。很多強壯的蛇都使用這種運動:毒蛇、蟒蛇、水蟒和蟒蛇。

在《實驗生物學雜誌》(Journal of Experimental Biology)上發表了一篇名為《不擺動的爬行》的研究報告。蛇通常會游泳、攀爬或爬行，它們會彎曲脊柱進入蛇形線圈，或者利用前緣來推掉物體。他們的運動多樣性的一個極端例子就是響尾蛇響尾蛇的名字。Jayne是UC McMicken藝術與科學學院(McMicken College of Arts & sciences)的生物科學教授，他已經解開了三種蛇移動的機械裝置，稱為「風琴」、「蛇形」和「側繞」。這種被稱為「直線運動」的蛇的直接運動已經得到了較少的關注。

加州大學生物學教授布魯斯·傑恩在他的實驗室里養了一條藤蛇。圖片版權：oseph Fuqua II/UC Creative Services

1950年生物學家H.W. Lissmann首次對肌肉活動和皮膚運動的協調進行了研究。他推測，蛇的肌肉與鬆散的、柔軟的、粘糊糊的腹部皮膚結合在一起，使它能夠在不彎曲脊柱的情況下向前移動。已經有近70年沒有這種運動了。傑恩和他的研究生、合著者史蒂文·紐曼(Steven Newman)在20世紀50年代用設備無法使用的設備測試了Lissmann的假設。傑恩用高清數位相機拍攝了蟒蛇，同時記錄了特定肌肉產生的電脈衝。這產生了一個肌電圖(類似於EKG)，顯示了肌肉、蛇的皮膚和身體之間的協調。

在這項研究中，Newman和Jayne使用了蟒蛇，一種以在森林地面上直線行走而聞名的大蟒蛇。他們錄製了高清晰度視頻，視頻中蛇在水平面上移動，並帶有參考標記。研究人員還在蛇的兩側添加了參考點，以追蹤它們鱗狀皮膚的細微運動。當蛇向前移動時，它腹部的皮膚比它的胸腔和背部的皮膚更容易彎曲。腹部鱗片的作用就像輪胎上的踏板，隨著肌肉拉著蛇的內部結構，在一個起伏的模式中前進，當它們快速移動時，就會變得流暢和無縫。

蛇的肌肉以一種非常流暢和無縫的方式從頭部向尾部依次激活。其中兩個主要的肌肉負責從肋骨(costo)到皮膚(皮膚)給他們命名為costocu。脊柱以恆定的速度向前移動。一組肌肉將皮膚向前拉，然後固定在原地。而相反的對抗性肌肉則拉在脊柱上。這種運動的好處是顯而易見的，食肉動物吃齧齒動物和其他在地下活動的動物。

蛇是由穴居祖先進化而來的。你可以通過這樣的移動來適應更窄的洞或隧道，而不是你必須彎曲你的身體並推動一些東西。這項研究部分得到了國家科學基金會的資助。Lissmann在1950年的描述大體上是正確的。

縮短皮膚的肌肉是推動一條蛇向前的機制。但考慮到他進行這項研究的時間，驚嘆於他是如何做到這一點的。工業已經嘗試模仿在機器人中蜿蜒的蛇形運動，可以檢查管道和其他水下設備。紐曼說，能夠利用蛇的直線運動的機器人可以有很好的應用。這項研究可以告訴機器人技術。能夠在狹小的密閉空間中直線移動將是一個很大的優勢。可以使用蛇形機器人在廢墟和倒塌的建築物中進行搜救。

直線運動是蛇的低齒輪，否則可以召喚驚人的速度。只有在放鬆的時候才使用它。研究人員觀察到，當蛇被驚嚇或被驅使移動時，蛇會恢復到傳統的蛇紋和蛇形動作。

作為一名狂熱的自行車愛好者，傑恩在Rieveschl的一個實驗室里研究了自行車運動的生理學和生物力學。他一直在研究騎手的心血管健康狀況。他測量了他們每公斤體重的耗氧量，以了解更多關於騎自行車者如何提高肌肉燃燒乳糖酶的能力。但他一直最著迷於蛇。他的研究發表在70多篇期刊文章上，其中大部分都在研究蛇的行為或生物學的某些方面。最近，傑恩研究了蛇的運動，特別是一些爬樹的驚人能力。

詹在加州大學教授脊椎動物動物學和人體生理學和生物力學。傑恩一生對蛇的興趣，讓科學敏銳地洞察到許多以前無證的行為。他在馬來西亞研究了吃螃蟹的蛇，並在他自己的臨時光學實驗室里測試蛇視力。通過測試其流動性的極限，傑恩可以了解更多關於蛇的複雜運動控制。這可以揭示人類如何執行協調的運動。

讓他們在所有這些不同的方向上行走，並處理所有這些三維的複雜性，是他們對肌肉的神經控制具有多樣性或可塑性。」「即使動物有體力做某事，它也不一定有神經控制。傑恩想要了解更多關於這種精細的運動控制是如何導致蛇的驚人扭曲的。他們有很多迷人的舉動，這是因為它們的運動模式如此多樣以至於神經系統都能產生嗎？

儘管所有的蛇都有相同的身體計劃，但有完全的水生蛇類，在平面上移動的蛇，在水平面上移動的蛇，爬的蛇，他們到處跑的原因是，他們有很多不同的方法來控制肌肉，這是非常有趣的。